STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PENAMBAHAN FLYWHEEL TERHADAP KARAKTERISTIK ENERGI BANGKITAN PADA MICROPOWER GENERATOR TIPE RADIAL TOPOLOGY Arief Setiarso Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Kampus Sukolilo, Surabaya Jawa Timur, Indonesia Telp. (031) 5946230, Fax. (031) 5922941, E-mail:
[email protected] Abstrak Konsep pemanen energi maupun energi alternatif, sangat dibutuhkan dalam upaya penanggulangan keterbatasan energi. Dan dari kebanyakan sistem pemanen energy yang sudah ada memiliki sumber energi yang relatif kecil dan tidak konstan untuk dimanfaatkan. Sehingga fokus dari pengembangan sistem tersebut tertuju pada desain mekanisme system, salah satu contohnya adalah generator. Dari permasalahan tersebut, muncul ide untuk melakukan pengembangan generator yang mempunyai konstruksi berskala kecil namun dapat membangkitkan energi listrik dengan maksimal dan relatif konstan. Dari Tugas Akhir ini didapatkan data voltase bangkitan dari mekanisme micropower generator tipe radial topology. Spesifikasi generator yang dapat disimpulkan dari hasil pengujian voltase bangkitan adalah 13 volt 1500 rpm. Serta dengan adanya penambahan flywheel berdimensi tebal 5 mm dan jari-jari 40 mm, voltase bangkitan akan menjadi lebih konstan. Disamping itu penelitian ini juga dapat dimanfaatkan sebagai ide pengembangan generator yang lebih baik lagi. Kata kunci: Micropower generator, flywheel, induksi magnetik, kecepatan bervariasi, gap, radial topologi, energy harvesting. 1. Pendahuluan Ditengah maraknya isu keterbatasan sumber daya alam dan penurunan kualitas lingkungan, fokus dari sebagian besar pengembangan teknologi mengarah kepada konsep konversi dan pembangkit energy serta konsep energi alternatif. Konsep ini telah dipakai dalam beberapa bidang tertentu seperti bidang otomotif, biomedis, kelautan, robotika, mobile device dan aplikasi lain, dimana terdapat suatu kebutuhan suplay energy listrik bangkitan melalui pemanfaatan konversi energi yang tepat menjadi sebuah energi listrik (Sergey E. Lyshevski,2011:52). Oleh karena itu kemudian dilakukan pengembangan tentang sistem pemanen energi, yaitu antara lain adalah Kinetic Energy Recovery System (KERS), Thermal Energy Recovery System (TERS) dan Vibration Energy Recovery System (VERS). Dari kebanyakan sistem pemanen energi tersebut memiliki sumber
energi yang relatif kecil dan tidak konstan untuk dimanfaatkan. Sehingga diperlukan danya pengembangan lebih lanjut dalam mengatasi permasalahan diatas. Dari sinilah muncul ide yang mendorong pengembangan lebih dalam mengenai generator pada aplikasi sistem PVERS untuk mendapatkan pencapaian hasil yang lebih baik. Termasuk dalam hal ini pengembangan pada desain generator berbasis teknologi MEMS (Micro Electromechanical Systems) yaitu micropower generator tipe radial topology dengan penambahan mekanisme flywheel. Dimana alat ini menggunakan prinsip generator pada umumnya dengan konstruksi yang dibuat berskala kecil serta kumparan dan magnet permanen arah radial, sehingga dapat membangkitkan voltase listrik yang maksimal dan dengan penambahan sistem flywheel akan menghasilkan voltase bangkitan yang relatif konstan. Pada
akhirnya penelitian Tugas Akhir ini diharapkan dapat menjadi sebuah komponenutama dari konsep energi alternatif dan terbarukan yang memiliki efisiensi tinggi untuk dimanfaatkan dalam kehidupan manusia sehari – hari, dan juga sebagai dasar pengembangan mekanisme micropower generator selanjutnya. 2. Dasar Teori Generator Generator adalah peralatan yang dapat mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. ). Namun seiring perkembangan teknologi, generator telah banyak mengalami riset maupun penelitian sehingga telah ditemukan berbagai jenis maupun teorinya. Adapun jenis-jenis generator adalah sebagai berikut : a. Generator Arus Bolak-balik (AC) Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) seperti terlihat pada gambar 2.1 dibawah.
Gambar 2.1 Generator Arus AC. b. Generator Arus Searah (DC) Generator Arus Searah sering disebut juga seabagai generator DC (direct current). Prinsip kerja dari generator DC hampir sama dengan generator AC, tetapi perbedaannya terletak pada cincin belah atau komutator.
Gambar 2.2 Generator Arus DC. Topology Generator a. Generator Radial Topology. Generator Radial topology adalah konstruksi (topology) dimana konstruksi dari arah putaran lilitan atau kumparan yang
disusun sejajar putarannya.
terhadap
arah
sumbu
Gambar 2.3 Generator Radial topology. (Sumber:S.E. Lyshevski, Energy Conversion and Management 2011; 52)
b. Generator Axial Topology. Generator Axial topology adalah konstruksi (topology) dimana konstruksi dari arah putaran lilitan atau kumparan yang disusun tegak lurus terhadap arah sumbu putarannya.
Gambar 2.4 Generator Axial topology. (Sumber:S.E. Lyshevski, Energy Conversion and Management 2011; 52)
Besar Tegangan Listrik (GGL Induksi) Besar teganan listrik atau GGL induksi yang terjadi adalah e dan kuat arusnya I, energi listrik yang terjadi dalam Δt detik adalah : W = e.I.Δt (2.8) Energi listrik ini dihasilkan oleh usaha mekanik yaitu gaya F yang bekerja sepanjang jarak s: W = F.s e.Δt = B.l.s (2.9) e = B.l.v (2.10) Persamaan tersebut berlaku jika komponen v tegak lurus terhadap B. Seperti terlihat pada gambar 2.10 dimana panjang a - b dinyatakan oleh l.
Gambar 2.7 Ggl induksi yang berlaku pada potongan a-b dan c-d yang berputar. (Sumber:http://www.crayonpedia.org/mw/MED AN_MAGNET_11.2)
Resultan ggl E yang terjadi merupakan jumlah ggl terinduksi di a - b (l 1 ) dan c – d
(l 2 ), yang memiliki besar dan arah yang sama, sehingga diperoleh: E = N.B.2l.v sin θ (2.11) Dengan N merupakan jumlah loop dalam kumparan. Apabila kumparan berputar dengan kecepatan anguler konstan ω, maka besar sudutnya adalah θ = ωt. Diketahui bahwa: v = ω.r atau v = ω.h/2 (2.12) Dimana h menyatakan panjang b - c dan a – d, dengan kata lain menyatakan panjang lilitan kumparan. Sehingga persamaan tegangan listrik bangkitan yang melewati kumparan sebanyak N lilitan adalah sebagai berikut: (2.13) Dimana: N = Jumlah lilitan per kumparan B = Kekuatan medan magnet (tesla) A = Luas penampang kumparan (m2) ω = Kecepatan putar rotor/magnet Dan dianggap daya listrik bangkitan maksimum terjadi pada θ = 90° atau sin 90° = 1, sehingga : (2.14) Roda Gila (Flywheel) Roda gila adalah suatu massa yang berputar yang dipergunakan sebagai penyimpan tenaga didalam mesin. Tenaga yang disimpan dalam roda gila berupa tenaga kinetik yang besarnya T= (Prof. K.Gopinath & Prof. M.M.Mayuram, “Machine Design II”, Indian Institute of Technology Madras, 2008). Koefisien Flukstuasi Koefisien flukstuasi adalah variasi kecepatan yang diaplikasikan pada roda gila, yang didefinisikan sebagai, (2.15) (2.16) Dimana : ω 1 = Kec. sudut maks roda gila (rad/s) ω 2 = Kec. sudut min roda gila (rad/s) V 1 = Kec. maks suatu titik flwyheel (m/s) V 2 = Kec. min suatu titik yang sama (m/s) Harga Koefisien flukstuasi yang biasa dipakai dalam praktek berkisar antara 0,2 untuk mesin-mesin giling, pemecah batu, atau mesin pembuat lubang. Dan berkisar 0,002 untuk generator listrik.
Menentukan Energi Kinetik Roda Gila Energi kinetik total pada roda gila dapat diketahui dengan perubahan tenaga kinetik roda gila pada kecepatan maksimum dan kecepatan minimum yang dapat dituliskan sebagai berikut.
(2.17) Sedangkan momen kelembamam roda gila itu sendiri (I o ) adalah (2.18) Sehingga dengan mensubstitusikan persamaan 2.34 dan 2.35, Energi Kinetik pada roda gila dapat dinyatakan sebagai berikut : (2.19) Aplikasi Roda Gila Pada penelitian ini, sistem flywheel yang digunakan adalah dengan mengadaptasi dan memodifikasi konstruksi flywheel pada umumnya, yaitu dengan perumusan penentuan dimensi flywheel berbentuk disk sebagai berikut: I 0 = ½ m.r2 = = I0 =
(2.20)
Dimana : V = volume flywheel (m3) γ = rapat massa (massa jenis) (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) r = jari-jari flywheel (m); t = tebal flywheel (m) 3. Metodologi Pada penelitian ini yang ingin dilakukan adalah melakukan pengujian besar kuat medan magnet generator, pengujian eksperimental pada variasi putaran dan gap antara rotor dengan stator dan melakukan pengujian putaran bervariasi dengan dan tanpa penambahan flywheel. Untuk mendapatkan hasil analisa penelitian yang
baik, maka dilakukan juga tahap perhitungan teori dan dilakukan analisa perbandinganya. Berikut merupakan skema dari eksperimental yang akan dilakukan.
Gambar 3.5 Mekanisme pengujian model fisik (tampak atas). Gambar 3.1 Skema Pengujian penelitian. Metode Pengujian pada Variasi Putaran dan Gap Rotor dengan Stator Pada penelitian melakukan pengujian guna mendapatkan voltase bangkitan dengan variasi gap dan putaran yang tepat pada mekanisme micropower generator tipe radial topology. Rancangan microgenrator dan konstruksi yang digunakan adalah sebagai berikut:
Metode Pengujian Putaran Bervariasi Dengan dan Tanpa Penambahan flywheel. Pada pengujian P-Vers Generasi I, pengujian yang dilakukan menggunakan microcontroller ATMega 8535. Dalam hal ini, microcontroller tersebut diprogram untuk dapat mengatur kecepatan dan periode putaran untuk mensimulasi mekanisme pemanen energi dari P-VERS dengan penambahan flywheel maupun tidak, seperti terlihat pada gambar 3.6. Pada proses assembly generator untuk pengujian putaran bervariasi ini, akan mengacu pada hasil-hasil yang didapatkan pada percobaan sebelumnya (putaran konstan).
Gambar 3.2 Bagian Rotor dan Stator dari micropowergenerator.
Gambar 3.6 Desain Rancangan Flywheel. Gambar 3.3 Model fisik micropower generator.
Gambar 3.4 Sket gambar Mekanisme pengujian model fisik (tampak samping).
Metode Perhitungan pada Variasi Putaran dan Gap Rotor dengan Stator Pada penelitian ini, untuk pertama-tama dilakukan perhitungan besar koersivitas magnet yaitu dengan perumusan sebagai berikut, Hc = Dimana : H c = koersivitas magnet (A/M) µ 0 = permeabilitas medium (4π×10-7 Wb/A.m) B r = Kuat medan magnet ralatif (Tesla) Kemudian setelah mengetahui besar koersivitas magnet, maka dapat dilakukan perhitungan guna mengetahui besar pengaruh gap yaitu dengan perumusan perhitungan hambatan pada medan (R m ) dan
hambatan pada gap (R g ), perumusannya adalah sebagai berikut : dan
Dengan demikian dapat diketahui pengaruh besar gap terhadap voltase bangkitannya. Sedangkan untuk mengetahui pengaruh besar kecepatan putar rotor (ω) terhadap voltase bangkitan yaitu dengan menggunakan perumusan sebagai berikut : E=N.B m . A .ω Dimana: E = Tegangan listrik (Volt) N = Jumlah lilitan per kumparan B m = Gaya magnet (Tesla) ω= kecepatan motor (rad/s) A= luas permukaan lilitan 4. Analisa Data Hasil dari pengujian eksperimental dan perhitungan teori yang telah dilakukan, kemudian dilakukan analisa. Konstruksi dan metode pengujian sendiri telah direalisasikan dan dapat ditampilkan pada gamabar berikut.
Gambar 4.1 Gambar rangkaian kontrol dan konstruksi rangka pengujian. Dengan konstruksi serta metode pengujian yang telah ditentukan, maka didapatkan data hasil pengujian. Untuk contoh hasil pengujian mekanisme itu sendiri adalah sebagai berikut.
Gambar 4.2 Contoh data pembacaan pengujian variasi putaran dan gap (1mm1500rpm). Sedangkan grafik analisa perbandingan antara hasil pengujian dan perhitungan adalah sebagai berikut : Grafik Perbandingan Voltase Bangkitan Pengujian dan Perhitungan 30 Voltase Bangkitan
Dimana : N m = jumlah pole/magnet g = gap/jarak (mm) Dan kemudian menghitung kuat medan magnet actual yang memotong lilitan kumparan (B m ) adalah sebagai berikut:
V prakte k
20 10
V Teori
0 500 1500 2500 500 1500 2500 500 1500 2500
Kec. gap 1 mm Kec. gap 2 mm Kec. gap 3 mm
Gambar 4.3 Grafik perbandingan Voltase bangkitan pengujian dan perhitungan. Dari Gambar 4.3, dapat dilakukan analisa perbandingan, dimana terdapat kecenderungan dari tren grafik yang menyimpang dan mempunyai perbedaan yang terlalu jauh. Hal ini disebabkan pada titik-titik tersebut mengalami kehilangan energi (losses energy) yang disebabkan karena energi listrik yang terserap dalam komponen-komponen elektronik dan juga akibat losses energi kinetik. Dengan demikian dapat disimpulkan, bahwa micropower generator tipe radial topology dengan jumlah lilitan 2000 dan 4 buah magnet neodymium ini mempunyai hasil bangkitan yang tepat pada gap 1 m dan aplikasi penggunaan 1500 rpm. Atau dalam kata lain, dapat disimpulkan spesifikasi generator ini adalah 13 Volt 1500 rpm. Dan jika pada aplikasi tertentu yang membutuhkan konstruksi dengan gap 2 dan 3 mm, penggunaan efektif pada tingkat kecepatan dibawah 1000 rpm. Sedangkan untuk hasil pengujian dengan dan tanpa penambahan flywheel adalah sebagai berikut.
(a)
(b) Gambar 4.4 Grafik Pembacaan Hasil Voltase Bangkitan. (a) Gambar hasil pengujian tanpa flywheel, (b) Gambar hasil pengujian dengan flywheel. Pada Grafik 4.4, terlihat bahwa hasil pengujian untuk voltase bangkitan dengan penambahan flywheel lebih besar daripada voltase bangkitan tanpa penambahan flywheel. Dimana voltase bangkitan pengujian tersebut adalah voltase rms (root mean square). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa voltase bangkitan dengan penambahan flywheel lebih konstan atau tidak terdapat penurunan yang dratis untuk voltase-voltase pada pembacaannya. Hal tersebut sesuai dengan hukum kekekalan energi, dimana : E listrik ≈ E kinetik V.i.Δt ≈ ½ .I.ω2 Sesuai dengan perumusan diatas, perbedaan hasil voltase bangkitan dengan dan tanpa penambahan flywheel disebabkan karena dengan penambahan flywheel akan menyebabkan momen inertia (I o ) mekanisme akan menjadi lebih besar sehingga menghasilkan energi listrik (voltase bangkitan) yang mendekati hasil konstan. 5. Kesimpulan Micropower generator tipe radial topology dengan jumlah lilitan 2000 dan 4 buah magnet neodymium ini mempunyai
hasil volatase dan daya bangkitan yang tepat pada gap 1 m dan aplikasi penggunaan 1500 rpm. Dengan kata lain, dapat disimpulkan spesifikasi generator ini adalah 13 Volt 1500 rpm. Serta jika pada aplikasi penggunaan tertentu yang membutuhkan konstruksi dengan gap 2 dan 3 mm, penggunaan yang tepat pada tingkat kecepatan dibawah 1000 rpm. Pada pengujian pengaruh penambahan flywheel dengan dimensi tebal 5 mm dan jari-jari 40 mm, voltase bangkitan yang dihasilkan menjadi lebih konstan. Hal tersebut disebabkan karena dengan penambahan flywheel, momen inertia dari mekanisme menjadi lebih besar. Daftar Pustaka [1] Sergey E. Lyshevski, “High-power density miniscale power generation and energy harvesting systems”, Energy Conversion and Management 2011; 52.46-52. [2] Reitz R. Jhon, “Foundations of Electromagnetic Theory”, 3rd edition, Adison-Wesley Publishing Company, Washington D.C, Inc., 1979. [3] Kurt, S. Matthew, “Electromagnetic Generators for Portable Power Applications”, University Of California, Berkeley, 2011.thesis. [4] Prof. K. Gopinath& Prof. M.M. Mayuram, “Machine Design II”, Indian Institute of Technology Madras, 2008. [5] Widyan, Mohammad S. and Hanitsch, Rolf E., “A Novel Directly Coupled HighEnergy Permanent-Magnet Sinusoidal Three-Phase Generator for Wind Energy Applications”, Berlin University of Technology, ICEGES, 2009. [6] P. Sivachandran and P.Venkatesh, “Design and Analysis of Dual-Rotor Radial Flux Permanent Magnet Generator for Direct Coupled Stand-Alone Wind Energy Systems”, Thiagarajar College of Engineering, Madurai, India, 2011. [7] M.R. Dubois, H. Polinder, and J.A. Ferreira “Comparison of generator topologiesfor direct-drive wind turbines”, Delft University of Technology, 2011. [8] H.R. Karimi and A. Babazadeh, ISATransactions 2005 ; 445–456. [9] Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik”, ITB Bandung, 1991. [10] www.animations.physics.unsw.edu.au/ mechanics/index.html.
